Фотоэлемент, что это такое, применение фотоэлемента в загородном доме, полезные советы

Фотоэлементы промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
• высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
• минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)[источник не указан 4257 дней

]

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностьюК:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)[источник не указан 4257 дней

]. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se2 и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)[источник не указан 4257 дней

]

Принцип работы фотоэлемента

Фотоэлементом называют прибор, который под воздействием Солнца вырабатывает фототок. Практическую возможность получения электрической энергии из света разработал профессор физики МУ А.Г. Столетов. Он объяснил происхождение фотоэффекта и сумел преобразовать солнечную энергию в фотоЭДС. На основании этого сегодня изготавливают электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы, которые используют в измерительной, контрольной и автоматической аппаратуре.

Устройство представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. С ее внутренней стороны нанесен светочувствительный слой щелочного металла (катод). Он контактирует с проводом, соединенным с отрицательным полюсом источника питания. В середине устройства расположен электрод, называемый анодом. Он соединен с положительным полюсом. Под воздействием света из катода вырываются электроны. В электромагнитном поле они устремляются к аноду, создавая в цепи ток.

Полупроводниковый фотоэлемент

Полупроводник имеет устойчивую структуру. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергии кванта хватает, чтобы разорвать связь электрона с атомом, электрон становится свободным. На его месте рождается дырка — положительный заряд, равный заряду электрона. Если приложить разность потенциалов, появится электрический ток.

Слабую проводимость чистых полупроводников увеличивают с помощью примесей других веществ, чтобы получить больше свободных положительно или отрицательно заряженных частиц:

1. примеси, создающие избыток электронов образуют полупроводник n-типа.
2. примеси, создающие избыток дырок — полупроводник p-типа.

Если соединить материал n-типа и p-типа, на границе произойдет перераспределение зарядов: дырки будут двигаться в n-область, а электроны — в p-область, пока на границе не возникнет двойной слой зарядов, называемый p-n-переходом и электрическое поле, препятствующее их дальнейшему перераспределению. Если цепь замкнуть, появится электрический ток, пропорциональный:

• интенсивности светового потока;
• площади полупроводника;
• времени действия света.

Устройство фотоэлемента

Применение

Фотоэлементы прочно вошли в нашу жизнь. Фотореле пропускает нас в метро, управляет процессами современного производства, обеспечивает безопасность человека и механизмов, контролируют качество продукции по классической схеме. На ее входе устанавливается фотоэлемент, реагирующий на световой поток. Сигнал усиливается и подается на реле в исполнительную цепь, управляя работой двигателей, станков и целых систем, применяемых в быту и на производстве.

Изучение света продолжается и сегодня. Ученые уверены, что потенциал фотона колоссален, а гелиевая энергетика в скором времени изменит свет во всех отношениях.

Электровакуумные фотоэлементы

Электровакуумный (электронный или ионный) фотоэлемент представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяноцезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются двух типов: электронные фотоэлементы и ионные фотоэлементы. В электронных фотоэлементах ток образуется только электронами, выходящими из катода под действием света. В ионных фотоэлементах ток фотоэмиссии увеличивается за счет возникновения несамостоятельного разряда. Устройство вакуумного фотоэлемента показано на рисунке 2. В стек- лянном баллоне, из которого выкачан воздух, помещены два электрода: катод К и анод А.

Рис. 2. Устройство вакуумного фотоэлемента

Катод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на внутреннюю

поверхность баллона. Анод изготовлен в виде кольца, расположенного в центре баллона. Выводы от катода и анода сделаны через ножку на нижний цоколь.

Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками. Анодные (вольт-амперные) характеристики электронного фотоэлемента Iф = f(uа) при Ф = const, изображенные на рис. 3, а, показывают резко выраженный режим насыщения. У ионных фотоэлементов (рис. 22.2,б) такие характеристики сначала идут почти так же, как у электронных фотоэлементов, но при дальнейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа ток значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления, который может быть равным от 5 до 12.Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлемента, дающие зависимость Iф =f(Ф) при Ua = const, показаны на рис. 4. Частотные характеристики чувствительности дают зависимость чувствительности от частоты модуляции светового потока. Из рис. 5 видно, что электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни мегагерц, а ионные фотоэлементы (кривая 2) проявляют значительную инерционность, и чувствительность их снижается уже на частотах в единицы килогерц.

Рис. 3. Анодные характеристики электронного (а) и ионного (б) фотоэлемента

Рис. 4. Энергетические характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента

Рис. 5. Частотные характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента

Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным резистором RH (рис. 6). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента постоянному току весьма велико и составляет единицы или даже десятки мегаом. Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала. Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор RH. Чем больше сопротивление RH и чем выше частота, тем сильнее это шунтирующее действие и тем меньше напряжение сигнала на резисторе RH.

Рис. 6. Схема включения фотоэлемента

Основные электрические параметры фотоэлементов — чувствительность, максимальное допустимое анодное напряжение и темновой ток. У электронных фотоэлементов чувствительность достигает десятков, а у ионных фотоэлементов — сотен мкА на люмен. Темновой ток представляет собой ток при отсутствии облучения. Он объясняется термоэлектронной эмиссией катода и токами утечки между электродами. При комнатной температуре ток термоэмиссии может достигать 10-10 А, а токи утечки — 10-7 А. В специальных конструкциях фотоэлементов удается значительно снизить токи утечки, а ток термоэмиссии можно уменьшить лишь охлаждением катода до очень низких температур. Наличие темнового тока ограничивает применение фотоэлементов для очень слабых световых сигналов.

Электровакуумные фотоэлементы нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. Но их недостатки — невозможность микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) — привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.

Электровакуумный (электронный или ионный) фотоэлемент представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяноцезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются двух типов: электронные фотоэлементы и ионные фотоэлементы. В электронных фотоэлементах ток образуется только электронами, выходящими из катода под действием света. В ионных фотоэлементах ток фотоэмиссии увеличивается за счет возникновения несамостоятельного разряда. Устройство вакуумного фотоэлемента показано на рисунке 2. В стек- лянном баллоне, из которого выкачан воздух, помещены два электрода: катод К и анод А.

Рис. 2. Устройство вакуумного фотоэлемента

Катод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на внутреннюю

поверхность баллона. Анод изготовлен в виде кольца, расположенного в центре баллона. Выводы от катода и анода сделаны через ножку на нижний цоколь.

Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками. Анодные (вольт-амперные) характеристики электронного фотоэлемента Iф = f(uа) при Ф = const, изображенные на рис. 3, а, показывают резко выраженный режим насыщения. У ионных фотоэлементов (рис. 22.2,б) такие характеристики сначала идут почти так же, как у электронных фотоэлементов, но при дальнейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа ток значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления, который может быть равным от 5 до 12.Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлемента, дающие зависимость Iф =f(Ф) при Ua = const, показаны на рис. 4. Частотные характеристики чувствительности дают зависимость чувствительности от частоты модуляции светового потока. Из рис. 5 видно, что электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни мегагерц, а ионные фотоэлементы (кривая 2) проявляют значительную инерционность, и чувствительность их снижается уже на частотах в единицы килогерц.

Рис. 3. Анодные характеристики электронного (а) и ионного (б) фотоэлемента

Рис. 4. Энергетические характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента

Рис. 5. Частотные характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента

Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным резистором RH (рис. 6). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента постоянному току весьма велико и составляет единицы или даже десятки мегаом. Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала. Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор RH. Чем больше сопротивление RH и чем выше частота, тем сильнее это шунтирующее действие и тем меньше напряжение сигнала на резисторе RH.

Рис. 6. Схема включения фотоэлемента

Основные электрические параметры фотоэлементов — чувствительность, максимальное допустимое анодное напряжение и темновой ток. У электронных фотоэлементов чувствительность достигает десятков, а у ионных фотоэлементов — сотен мкА на люмен. Темновой ток представляет собой ток при отсутствии облучения. Он объясняется термоэлектронной эмиссией катода и токами утечки между электродами. При комнатной температуре ток термоэмиссии может достигать 10-10 А, а токи утечки — 10-7 А. В специальных конструкциях фотоэлементов удается значительно снизить токи утечки, а ток термоэмиссии можно уменьшить лишь охлаждением катода до очень низких температур. Наличие темнового тока ограничивает применение фотоэлементов для очень слабых световых сигналов.

Электровакуумные фотоэлементы нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. Но их недостатки — невозможность микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) — привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.